[发明专利]多层分布式无线传感器网络数据传输方法

摘要

本发明公开了一种多层分布式无线传感器网络数据传输方法，属于电通信技术领域。其特点是：路由簇头的选择基于无线传感器网络的局部信息，综合考虑了传感器节点剩余能量及通信代价等因素，从而对无线传感器网络进行了分簇；在簇头集合中利用贪婪算法构建簇头单链，然后将与基站能量权值最大的簇头作为簇头单链中与基站直接通信的链头节点，从而使各簇头可以用多跳通信的方式将数据传送至基站。本发明的数据传输方法不仅有效地解决了延长无线传感器网络生命周期的技术问题，同时，也提高了无线传感器网络的能量利用率，适用于大规模无线传感器网络，应用前景广阔。

主权项

1.一种多层分布式无线传感器网络数据传输方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：第一步，无线传感器网络中的n个传感器节点C_i同时启动其内置的轮定时器T₁，i＝1，2，3，......，n，在通信半径r内广播自身的剩余能量消息，接收各邻居传感器节点C_j发送的剩余能量消息并保存在自身内置的邻居节点表中，j＝1，2，3，......，m，且m＜n；根据传感器节点能量损耗模型计算自身发送和接收能量剩余消息后的当前剩余能量E_1，i，并用E_1，i更新其内置剩余能量表中的轮初始剩余能量E_0，i；第二步，所述各传感器节点C_i根据当前轮邻居节点表中所有邻居传感器节点C_j的轮初始剩余能量E_0，j，计算邻居传感器节点C_j的平均剩余能量E_ai：第三步，所述各传感器节点C_i启动其内置的簇头选择持续时间定时器T₂，并根据下式设置其簇头申明消息的时间间隔定时器t_i，ti=p×T2×EaiE0,i]]>式中，p是一个随机均匀分布在(0.9，1)之间的实数值；第四步，所述各传感器节点C_i在其时间间隔定时器t_i计时到时之前，查询是否收到所述邻居传感器节点C_i的簇头申明消息：若所述传感器节点C_i收到一个邻居传感器节点C_j的簇头申明消息，则选择发出该簇头申明消息的邻居传感器节点C_j为自己的簇头并向该簇头发送加入簇消息，根据传感器节点能量损耗模型计算自身接收簇头申明消息和发送加入簇消息后的当前剩余能量E_2，i，并用E_2，i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_1，i；若所述传感器节点C_i收到k个邻居传感器节点C_j的簇头申明消息，1＜k≤m，则将这k个邻居传感器节点C_j作为候选簇头C_c，c＝1，...，k，并根据以下公式计算：上式中，COST_c为传感器节点C_i到候选簇头C_c的通信代价，d(C_i，C_c)是传感器节点C_i到候选簇头C_c的通信距离，d(C_c，BS)是候选簇头C_c到基站BS的距离，是调节d(C_i，C_c)与d(C_c，BS)之间权重的参数且选定具有最小通信代价Min(COST_c)的候选簇头C_c为本传感器节点C_i的簇头并向该簇头发送加入簇消息，根据传感器节点能量损耗模型计算自身接收多条簇头申明消息和发送加入簇消息后的当前剩余能量E_2，i，并用E_2，i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_1，i；若所述传感器节点C_i在其时间间隔定时器t_i计时到没有收到任何簇头申明消息，则在通信半径r内广播簇头申明消息，然后接收z个邻居传感器节点C_j发送的加入簇消息，z≤m，根据传感器节点能量损耗模型计算自身广播簇头申明消息和接收z条加入簇消息后的当前剩余能量E_2，i，并用E_2，i更新E_1，i；第五步，当已成为簇头的传感器节点C_i或C_j或C_c设置的簇头选择持续时间定时器T₂计时到，该传感器节点C_i或C_j或C_c调整发射功率，向基站BS报告其成为簇头消息，基站BS据此计算簇头数量y，并将各簇头标记为CH_q且q＝1，......，y且y＜n，各簇头CH_q名下的簇成员标记为Mem_qx，x＝1，......，ω，且ω＜n，随即，当选为簇头的传感器节点C_i或C_j或C_c根据传感器节点能量损耗模型计算自身向基站BS报告成为簇头消息后的当前剩余能量E_3，i，并用E_3，i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_2，i；而未当选簇头的各传感器节点C_i或C_c则令E_3，i＝E_2，i；第六步，所述基站BS从簇头集合CH_q中选择距基站BS最远的一个簇头CH_s作为簇头单链中的第一个节点，然后利用贪婪算法找到离所述簇头CH_s最近的邻居簇头CH_t作为所述簇头单链中的第二个节点，以此类推，继续从未访问过的簇头中找到离所述邻居簇头CH_t最近的邻居簇头作为簇头单链中的第三个节点，直至遍历簇头集合CH_q中的全部簇头而生成一条簇头单链；第七步，所述基站BS根据下式计算所述各簇头CH_q到基站BS的能量权值weight_q：weightq=E3,CHqd(CHq,BS),]]>且q＝1，......，y式中，E_3，CHq为簇头CH_q的当前剩余能量，将具有最大能量权值的簇头CH_u作为与基站BS直接通信的链头节点；随即，基站BS向各簇头CH_q广播组成簇头单链和链头节点消息，同时，向全体传感器节点C_i广播数据传输指令；第八步，所述各簇头CH_q接收组成簇头单链和链头节点消息以及数据传输指令，并根据传感器节点能量损耗模型计算自身组成簇头单链和链头节点消息以及数据传输指令后的当前剩余能量E_4，i，并用E_4，i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_3，i；所述各簇头CH_q名下的簇成员节点Mem_qx接收数据传输指令消息，并根据传感器节点能量损耗模型计算自身接收数据传输指令后的当前剩余能量E_4，i，并用E_4，i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_3，i；第九步，所述各簇头CH_q名下的簇成员节点Mem_qx将采集数据传送给各自的簇头CH_q，并根据传感器节点能量损耗模型计算自身发送采集数据后的当前剩余能量E_5，i，并用E_5，i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_4，i；非链头节点的各簇头CH_q接收其簇成员Mem_qx发送的采集数据，并将接收数据与自身采集的数据进行融合，接收其在簇头单链中的下位邻居簇头传输的链数据，并将所述链数据和自身的融合数据作为新的链数据发送给其在簇头单链中的上位邻居簇头CH_q+1或CH_q-1，根据传感器节点能量损耗模型计算自身接收ω条采集数据、融合数据、接收和发送链数据后的当前剩余能量E_5，i，并用E_5，i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_4，i；所述链头节点CH_u接收其簇成员Mem_ux发送的采集数据，并对接收数据和自身采集数据进行融合；接收其第一、第二下位邻居簇头CH_u-1和CH_u+1传输的链数据，并将这两个链数据和自身的融合数据发送给基站BS，根据传感器节点能量损耗模型计算自身接收ω条采集数据、融合数据、接收和发送链数据后的当前剩余能量E_5，i，并用E_5，i更新其内置剩余能量表中的剩余能量E_4，i；第十步，当所述传感器节点C_i内置的轮定时器T₁计时到，存活的各传感器节点C_i重新启动各自的轮定时器T₁，进行下一轮的运行，由此周而复始，直到基站BS接收不到所述无线传感器网络中的任何数据，就判定传感器节点C_i全部死亡，即网络失效。